CMS on yksi neljästä LHC:n ilmaisimesta. Sillä oli oma osansa Higgsin hiukkasen löytymisessä vuonna 2012.

© CERN

Uusi kiihdytin luo alkuräjähdyksen Maassa

Mittava LHC on ollut loistava menestys, vaikka kunnianhimoinen fysiikan koelaitteisto ei ole onnistunut löytämään pimeää ainetta. Nyt aiotaan rakentaa uusi kone, joka törmäyttää hiukkasia niin rajusti, että syntyy alkuräjähdys.

torstai 28. kesäkuuta 2018 teksti Rolf Haugaard Nielsen

Pieni kimppu protoneja on matkalla kohti väkivaltaista loppuaan. Tutkijat pumppaavat radioaalloilla aina vain enemmän energiaa kimppuun, joka liikkuu ahtaassa putkessa melkein valon nopeudella. Toisessa putkessa – muutaman sentin päässä – kiertää vinhasti samanlainen kimppu vastakkaiseen suuntaan. 

Kun kimput läpäisevät valtavat ilmaisimet, fyysikot antavat niiden törmätä toisiinsa voimalla, jolle ei mikään kone maailmassa vedä vertoja. 

Protonit murskautuvat, ja ilmaisimet yrittävät tunnistaa, mitä uusia ja eksoottisia hiukkasia esiintyy yhteentörmäyksessä hajonneista protoneista syntyneessä pilvessä. 

Näin ovat Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERNin fyysikot tutkineet jo vuosikymmeniä maailmankaikkeuden pienimpiä osasia. Vuodesta 2009 lähtien he ovat käyttäneet mahtavaa LHC-kiihdytintä, joka on ollut monessa mielessä menestys. 

Maailman suurin hiukkaskiihdytin on kuitenkin tuottanut myös pettymyksen.

Oudon pimeän aineen etsintä 

Alusta asti on toivottu, että suurienergiaiset törmäykset LHC:ssä luovat oletettua pimeää ainetta, jonka avulla voidaan selittää, miksi tähdet eivät sinkoa ulos pyörivistä galakseista. 

Koska pimeitä hiukkasia ei ole kuitenkaan ilmaantunut, CERN kaavailee yhdessä 70:n eri puolilla maailmaa toimivan tutkimuslaitoksen kanssa rakentavansa tulevaisuuden hiukkaskiihdyttimen FCC:n (Future Circular Collider). 

Valtavan koneen renkaan muodostavasta kiihdytintunnelista on tarkoitus tulla 100 kilometriä pitkä, jotta se voi törmäyttää protoneja seitsemän kertaa niin suurella voimalla kuin LHC.

LHC-kiihdyttimen kehän pituus on 27 000 metriä. Se on maailman suurin kone. 

Näkymättömät kaksoset pelastavat

Kun LHC:llä löydettiin vuonna 2012 Higgsin hiukkanen eli Higgsin bosoni, kyseessä oli sensaatio. Hiukkasen olemassaolo oli nimittäin lopullinen todiste siitä, että historian laajin ja menestyksekkäin fysiikan teoria, standardimalli, pitää paikkansa. 

Standardimalli on luettelo niin sanotuista alkeishiukkasista, jotka voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: atomien rakenneosiin ja voimaa välittäviin hiukkasiin.

Atomien rakenneosiin kuuluu 12 hiukkasta: kuusi kvarkki-, kolme elektroni- ja kolme neutriinotyyppiä. Kaikki maailmankaikkeuden atomit voivat syntyä niistä.

Materiaalihiukkasten lisäksi standardimalli kuvaa myös kolme neljästä perusvoimasta: sähkömagneettisen sekä vahvan ja heikon vuorovaikutuksen, joilla kaikilla on oma välittäjähiukkasensa. Tunnetuin on fotoni, joka välittää sähkömagneettista voimaa. 

Vielä ei ole onnistuttu löytämään neljännen perusvuorovaikutuksen, gravitaation eli painovoiman, välittäjähiukkasta. 

Siksi fyysikot ovat kehittäneet kvanttigravitaatioteorioita, joissa kappaleiden välisen vetovoiman välittää gravitoniksi kutsuttu alkeishiukkanen. Nämä teoriat saadaan kuitenkin täsmäämään matemaattisesti ainoastaan siinä tapauksessa, että jokaisella alkeishiukkasella on näkymätön kaksonen. 

Oletuksesta seuraa, että esimerkiksi standardimallin materiaalihiukkasella kvarkilla pitää olla voimaa välittävä kaksonen, skvarkki, ja voimahiukkasella fotonilla atomien rakenneosasiin kuuluva pari, fotiino.

Fyysikot toivoivat löytävänsä LHC:llä nimenomaan näitä kaksoshiukkasia, sillä löytö ei vain tasoittaisi tietä teorialle, jolla voidaan selittää kaikki universumin ilmiöt, vaan se myös todistaisi pimeän aineen olemassaolon – ja ratkaisisi samalla tähtitieteilijöiden suuren ongelman. 

He eivät nimittäin pysty selittämään, kuinka tähdet voivat kiertää kovaa vauhtia galaksien keskusta sinkoutumatta niistä ulos – ellei sitten pimeä aine painovoimallaan estä tähtiä karkaamasta.

LHC:n voimat tuskin riittävät

Fysiikassa massa ja energia ovat saman asian eri puolia. Mitä raskaampi hiukkanen on, sitä enemmän siinä on energiaa. Siksi massa ilmaistaan usein gigaelektronivoltteina (GeV), vaikka kyse on energian yksiköstä. 

Analysoituaan miljardeja protonien törmäyksiä LHC:ssä tutkijat ovat päätyneet siihen, että kaksoshiukkasten massa on ainakin 1 000–2 000 GeV. Koska tuottamiseen tarvittava energiamäärä riippuu hiukkasten massasta, on epävarmaa, pystytäänkö näin raskaita hiukkasia luomaan LHC:llä. 

Esimerkiksi Higgsin bosoni painaa vain 125 GeV. Siksi fyysikot kaipaavat valtavaa kiihdytintä, joka tuottaa paljon enemmän energiaa.

Higgsin bosoni jatkotutkimuksiin

Vaikka FCC on tarkoitus saada käyttöön vasta vuonna 2035, CERN on jo perustanut työryhmän suunnittelemaan uutta jättikonetta.

Rakennushankkeesta on saatu vasta vähän yksityiskohtaista tietoa, mutta hankkeen johtajan Frank Zimmermannin mukaan 100 kilometriä pitkään tunneliin tulee ilmeisesti kaksi kiihdytintä.  

Tieteen Kuvalehden numerosta 12 voit lukea hankkeesta lisää. Saat myös lisää tietoa siitä, miten tutkijat aikovat havainnoida pimeää ainetta, joka ei jätä jälkiä mittauslaitteisiin.  

Seuraava askel

Haluatko lukea lisää fysiikasta? Kun tilaat Tieteen Kuvalehden, opastamme sinut turvallisesti fysiikan kiehtovaan maailmaan – pienimmistä alkeishiukkasista raskaimpiin mustiin aukkoihin. Kun tilaat tänään, saat lyömättömän hyvän tarjouksen:

  • Käyttöoikeuden lehtien digijulkaisuihin – voit lukea vaikka National Geographicia tai Tee Itseä
  • Vinyl Techin tyylikkäät

    kuulokkeet

  • Kaksi Tieteen Kuvalehteä

Saat koko paketin vain 8,90 eurolla – säästät 61 euroa!

Lue tästä

Ehkä sinua kiinnostaa...

TILAA TIETEEN KUVALEHDEN UUTISKIRJE

Voit ladata ilmaisen erikoisnumeron, Uskomattomat aivot, heti, kun olet tilannut uutiskirjeen.

Etkö löytänyt, mitä etsit? Tee haku tästä: